我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力分析及發(fā)展趨勢(shì)

劉風(fēng)琴，邱定蕃，顧松青，李榮斌，趙洪亮，謝明壯，姚志超

1) 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083 2) 北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 3) 礦冶科技集團(tuán)有限公司, 北京 100160 4) 中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 100082

鋁是僅次于鋼鐵的第二大金屬材料，也是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中關(guān)聯(lián)度極高、不可或缺的重要基礎(chǔ)性原材料.金屬鋁因其易于回收再生的性能被稱為可以高效循環(huán)利用的綠色戰(zhàn)略金屬.

我國(guó)鋁工業(yè)是在新中國(guó)成立后，才開始得到發(fā)展，1953年和1954年我國(guó)先后建成第一個(gè)鋁電解廠——撫順鋁廠和第一個(gè)氧化鋁廠——山東鋁廠.由此從小到大、由弱到強(qiáng)、由落后到先進(jìn)完成了向世界鋁工業(yè)大國(guó)的歷史性跨越.尤其是改革開放以來，快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展推動(dòng)了對(duì)金屬鋁的強(qiáng)勁需求，從而有力地促進(jìn)了中國(guó)鋁工業(yè)的迅猛發(fā)展.通過引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和自主科技創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了多種所有制共同發(fā)展的格局，形成了完整的鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)體系，成為全球最大的鋁生產(chǎn)、消費(fèi)和進(jìn)出口貿(mào)易國(guó).2020年我國(guó)氧化鋁、原鋁、鋁用炭素產(chǎn)量分別為7313[1]、3708[1]以及2000萬噸[2]，分別占世界當(dāng)年總產(chǎn)量的54.6 %、56.8%以及61.0%.

我國(guó)鋁工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、科技進(jìn)步也取得了舉世矚目的成就.氧化鋁工業(yè)實(shí)現(xiàn)了高硅鋁土礦的間接加熱、強(qiáng)化溶出技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，單條生產(chǎn)線100萬噸以上產(chǎn)能、處理中低品位難溶一水硬鋁石礦的高效強(qiáng)化拜耳法成套技術(shù)得到全面推廣應(yīng)用[3]，全國(guó)氧化鋁生產(chǎn)的平均能耗達(dá)到世界平均能耗指標(biāo).赤泥由濕法堆存轉(zhuǎn)為干法堆存[4]，降低了赤泥壩泄漏和潰壩等重大環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).鋁電解工業(yè)實(shí)現(xiàn)了400 kA以上的大型鋁電解槽系列成套技術(shù)的推廣應(yīng)用[5-6]，標(biāo)志著我國(guó)鋁電解工業(yè)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模和容量的大型化，我國(guó)鋁電解的噸鋁電耗達(dá)到了世界領(lǐng)先水平.鋁用炭素工業(yè)采用復(fù)雜組成的石油焦原料生產(chǎn)出世界馳名的優(yōu)質(zhì)炭陽極[7-8].大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用了石墨化陰極炭塊和氮化硅結(jié)合碳化硅側(cè)襯材料[9].這些創(chuàng)新技術(shù)使我國(guó)鋁工業(yè)整體上達(dá)到了世界先進(jìn)技術(shù)水平，具備了一定的競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)氧化鋁、電解鋁和鋁用炭素工業(yè)的快速發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐.

但是，巨大的鋁工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模導(dǎo)致資源、能源和環(huán)境等問題日益凸顯.特別是近年來，受國(guó)內(nèi)氧化鋁產(chǎn)量大幅度增加、環(huán)保等政策的影響，國(guó)內(nèi)鋁土礦資源已難于滿足需求、進(jìn)口鋁土礦資源占比逐年擴(kuò)大，鋁土礦對(duì)外依存度已超過50%[10].多種電力供應(yīng)方式、電價(jià)差異大造成我國(guó)鋁電解工業(yè)的畸形發(fā)展，局部地區(qū)建成的采用煤-電-鋁形式生產(chǎn)原鋁[11]的產(chǎn)能規(guī)模過大，從而對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來嚴(yán)重污染.另一方面我國(guó)鋁工業(yè)排放的含硫、含氟煙氣以及赤泥、陽極炭渣、廢槽襯、鋁灰等固體廢棄物產(chǎn)出量巨大且逐年增加，給生態(tài)和環(huán)境造成了巨大的壓力和影響.我國(guó)再生鋁工業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)仍遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家水平.

鑒于資源、能源和環(huán)境等方面的嚴(yán)重制約，以及市場(chǎng)發(fā)展容量的限制，我國(guó)鋁工業(yè)的發(fā)展和生存已經(jīng)到了非常關(guān)鍵的時(shí)期，在我國(guó)大力推進(jìn)供給側(cè)改革和倡導(dǎo)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，認(rèn)真研究我國(guó)鋁冶煉工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)現(xiàn)狀，剖析我國(guó)鋁冶煉工業(yè)發(fā)展面臨的主要矛盾與挑戰(zhàn)，在全球范圍內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)力比較與分析，提出我國(guó)鋁冶煉工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)的戰(zhàn)略發(fā)展趨勢(shì).這對(duì)我國(guó)鋁工業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略研究，具有重大意義.

1 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的生產(chǎn)與技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1.1 氧化鋁、鋁電解的產(chǎn)量及布局

圖1為我國(guó)氧化鋁年產(chǎn)量的變化.由圖1可見，我國(guó)氧化鋁產(chǎn)量自2005年起迅速提高，這主要是因?yàn)樘幚硪凰蹭X石礦的高溫拜耳法技術(shù)得到全面推廣應(yīng)用.2020年氧化鋁產(chǎn)量達(dá)到7313萬噸，占世界當(dāng)年總產(chǎn)量的54.6%.

圖1 我國(guó)氧化鋁年產(chǎn)量的變化Fig.1 Changes in the China’s annual production of alumina

大部分氧化鋁企業(yè)分布在我國(guó)鋁土礦儲(chǔ)量豐富的地區(qū)，即山西、河南、廣西和貴州.山東省的氧化鋁企業(yè)因靠近沿海，主要依靠進(jìn)口鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁.

圖2為我國(guó)鋁電解年產(chǎn)量的變化.由圖2可見，自2000年起，我國(guó)鋁電解產(chǎn)量進(jìn)入快速發(fā)展階段，這主要是由于我國(guó)在20世紀(jì)90年代開發(fā)出大型預(yù)焙鋁電解槽的設(shè)計(jì)及工業(yè)運(yùn)行技術(shù).

圖2 我國(guó)鋁電解年產(chǎn)量的變化Fig.2 Variations in the China’s annual primary aluminum production

我國(guó)主要的鋁電解廠一般都建在能源比較豐富的地區(qū)，如煤炭較多的新疆、內(nèi)蒙等地，水電資源充沛的云南、青海和四川等省.山東的鋁電解企業(yè)主要依靠煤炭自發(fā)電得到較廉價(jià)的火電.

1.1.2 資源及能源支持狀況

根據(jù)2019年自然資源部發(fā)布的中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告[12]，2018年中國(guó)鋁土礦資源量為51.7億噸，但探明儲(chǔ)量?jī)H為10億噸（圖3），僅占世界儲(chǔ)量的3.3%，遠(yuǎn)低于幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西、越南和牙買加等國(guó)[13].因此，在世界范圍內(nèi)看，我國(guó)鋁土礦資源儲(chǔ)量偏少，可經(jīng)濟(jì)利用的鋁土礦全部為難溶的一水硬鋁石礦，且品位較低.

圖3 全球主要國(guó)家鋁土礦儲(chǔ)量Fig.3 Bar chart of amount of bauxite reserves in major countries

我國(guó)北方山西、河南等地區(qū)擁有較多的、規(guī)模較大的氧化鋁廠，且分布集中.由于數(shù)十年來的過度開采，當(dāng)?shù)劁X土礦區(qū)品位下降、嚴(yán)重貧化、甚至枯竭，目前供礦鋁硅比基本處于4.0～5.0，造成氧化鋁生產(chǎn)中的礦耗和堿耗很高而缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，已難以支撐當(dāng)?shù)剌^大規(guī)模的氧化鋁工業(yè).為此，我國(guó)鋁土礦進(jìn)口量近年來呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì).據(jù)中國(guó)海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)共進(jìn)口鋁土礦已超過1億噸，對(duì)外依存度已超過50%.

我國(guó)鋁電解工業(yè)的能源成本主要是用電成本.我國(guó)鋁電解工業(yè)主要依靠網(wǎng)電供電，由于網(wǎng)電電價(jià)較高，導(dǎo)致我國(guó)鋁電解平均能源成本屬世界上最高，達(dá)到678 $·t-1，遠(yuǎn)高于除中國(guó)外其他國(guó)家平均能源成本475 $，如圖4所示，圖4數(shù)據(jù)根據(jù)百川盈孚報(bào)告[14]和世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)網(wǎng)站[15]統(tǒng)計(jì)獲得.加拿大、俄羅斯以及中東地區(qū)鋁電解廠的能源成本最低.因此能源成本高是我國(guó)鋁電解工業(yè)最大的劣勢(shì).

圖4 世界主要國(guó)家/地區(qū)平均能源成本統(tǒng)計(jì)Fig.4 Average energy cost in major countries/regions

內(nèi)蒙古、新疆具有豐富的煤炭資源和較低火力發(fā)電成本，在國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力.因此，在電解鋁廠布局中應(yīng)重點(diǎn)考慮電價(jià)問題，將電價(jià)較高的河南、山西、甘肅等地的電解鋁產(chǎn)能逐步轉(zhuǎn)移到電價(jià)較低、且運(yùn)輸物流成本也較低的內(nèi)蒙古和水電資源豐富的云南、四川等省區(qū).

1.1.3 環(huán)境污染及治理狀況

我國(guó)鋁工業(yè)產(chǎn)能巨大、分布集中，造成局部的工業(yè)污染嚴(yán)重.

我國(guó)氧化鋁企業(yè)集中在山東、山西、河南和廣西，部分地級(jí)城市擁有幾百萬噸、甚至上千萬噸氧化鋁產(chǎn)能，加上沒有大規(guī)模的綜合處理及利用措施，年赤泥排放量達(dá)數(shù)千萬噸，堿污染嚴(yán)重[16]，難于有效治理.

我國(guó)鋁電解企業(yè)集中分布在山東、新疆、內(nèi)蒙和甘肅等省區(qū)，局部排放的煙氣及鋁灰和廢槽襯等危廢的數(shù)量巨大，加之尚未開發(fā)出有效的環(huán)境治理技術(shù)，導(dǎo)致局部的空氣污染和地面大量堆放危廢的局面.

這些環(huán)境問題將成為我國(guó)鋁工業(yè)綠色、可持續(xù)發(fā)展的嚴(yán)重障礙，開發(fā)應(yīng)用鋁工業(yè)環(huán)境高效治理技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋁冶煉工業(yè)健康、綠色發(fā)展的必由之路.

1.2 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)技術(shù)水平及其技術(shù)特點(diǎn)

我國(guó)氧化鋁工業(yè)經(jīng)過近70年的發(fā)展，開發(fā)出了處理中低品位一水硬鋁石礦的高效強(qiáng)化拜耳法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高循環(huán)效率、系統(tǒng)節(jié)能拜耳法的全面應(yīng)用，各關(guān)鍵工序的裝備大型化、節(jié)能化，使我國(guó)處理一水硬鋁石礦生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)水平已處于世界領(lǐng)先水平.

我國(guó)鋁電解工業(yè)經(jīng)過近70年的發(fā)展，提出并實(shí)現(xiàn)了低極距、低槽電壓、低槽溫、低電耗的鋁電解技術(shù)路線，噸鋁電耗達(dá)到了世界領(lǐng)先，整體鋁電解技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平.我國(guó)鋁用炭素工業(yè)開發(fā)出了多種石油焦原料耦合混配生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)炭陽極技術(shù)，使炭陽極的整體生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到了世界領(lǐng)先水平.

1.2.2 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的重大技術(shù)成就

我國(guó)氧化鋁工業(yè)界針對(duì)我國(guó)中低品位一水硬鋁石礦的資源特點(diǎn)，通過幾十年的自主創(chuàng)新，開發(fā)出了一系列重大創(chuàng)新成果.拜耳法間接加熱強(qiáng)化溶出技術(shù)和高效強(qiáng)化拜耳法技術(shù)[17]解決了采用拜耳法處理一水硬鋁石礦的關(guān)鍵技術(shù)難題；選礦拜耳法和石灰拜耳法技術(shù)[18]解決了經(jīng)濟(jì)處理中低品位一水硬鋁石礦生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)難題；通過消化吸收及自主創(chuàng)新開發(fā)出一系列大型節(jié)能拜耳法關(guān)鍵裝備，包括管道化溶出系統(tǒng)、高效深錐沉降槽、大容量低電耗分解槽、多效管式降膜蒸發(fā)器、氫氧化鋁流態(tài)化焙燒爐和大型高效赤泥壓濾機(jī)等，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)氧化鋁工業(yè)的大型化和節(jié)能化.

我國(guó)鋁電解工業(yè)界通過對(duì)引進(jìn)技術(shù)的消化吸收和進(jìn)一步創(chuàng)新，開發(fā)出了大型預(yù)焙鋁電解槽物理場(chǎng)研究及設(shè)計(jì)技術(shù)[19]，淘汰了高耗能和污染嚴(yán)重的自焙槽和小型預(yù)焙槽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽的大型化和現(xiàn)代化；開發(fā)出的鋁電解槽智能控制技術(shù)[20]和新型結(jié)構(gòu)鋁電解槽節(jié)能技術(shù)[21-23]，提高了電解槽運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率，大幅度降低了電耗；通過降低鋁電解效應(yīng)系數(shù)技術(shù)，減少了多氟化碳?xì)怏w的排放；自主開發(fā)出的石油焦微量元素耦合混配技術(shù)[7-8]、石油焦大型罐式煅燒爐技術(shù)和炭陽極焙燒先進(jìn)控制系統(tǒng)[24]，顯著提高了炭陽極的質(zhì)量，降低了能耗和炭耗；炭素陰極串接石墨化技術(shù)和氮化硅結(jié)合碳化硅側(cè)襯材料生產(chǎn)技術(shù)[9]的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化為鋁工業(yè)提供了先進(jìn)的爐襯材料，提高了鋁電解槽的壽命.

2 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)生產(chǎn)成本競(jìng)爭(zhēng)力分析

2.1 我國(guó)氧化鋁工業(yè)成本競(jìng)爭(zhēng)力分析

2.1.1 世界氧化鋁生產(chǎn)成本占比分析

圖5是2019年國(guó)內(nèi)外氧化鋁生產(chǎn)運(yùn)行成本構(gòu)成的比較.本文有關(guān)氧化鋁工業(yè)成本分析數(shù)據(jù)是根據(jù)中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)網(wǎng)站[25]和世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)網(wǎng)站[26]統(tǒng)計(jì)獲得.

圖5 2019年國(guó)內(nèi)外氧化鋁平均運(yùn)行成本構(gòu)成比較.（a）中國(guó)；（b）除中國(guó)以外各生產(chǎn)國(guó)Fig.5 Comparison of alumina production cost distributions in 2019: (a) China; (b) countries except China

由圖5可見，國(guó)內(nèi)外氧化鋁生產(chǎn)成本的最大差別是鋁土礦成本.我國(guó)鋁土礦資源貧乏，礦價(jià)較高，因此鋁土礦在生產(chǎn)成本中占有41%，而國(guó)外僅占24%.但是我國(guó)在氧化鋁成本中的其他項(xiàng)占比較低，這主要是因?yàn)槲覈?guó)人工和維修成本較低.

2.1.2 世界氧化鋁生產(chǎn)成本比較

圖6是2019年世界各氧化鋁廠的生產(chǎn)運(yùn)行成本的比較，把世界氧化鋁廠生產(chǎn)成本由低到高先后排列，并依據(jù)世界氧化鋁總產(chǎn)量將整個(gè)區(qū)域均分為4個(gè)區(qū)域，縱坐標(biāo)是各個(gè)氧化鋁廠的運(yùn)行成本，橫坐標(biāo)是氧化鋁產(chǎn)量的累加.我國(guó)氧化鋁廠為深色的柱條，國(guó)外氧化鋁廠則采用白色柱條.以下各圖均采用此方法表示.

圖6 2019年世界氧化鋁企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本的比較Fig.6 Comparison of alumina production costs in world alumina refineries in 2019

由圖6可見，我國(guó)大部分氧化鋁廠在了第三、第四的高成本區(qū)域，只有廣西、山東的少數(shù)氧化鋁廠進(jìn)入成本較低的第一、第二區(qū)域.

2.1.3 世界氧化鋁生產(chǎn)鋁土礦成本的比較

圖7為2019年世界氧化鋁廠生產(chǎn)中的鋁土礦成本分布.

圖7 2019年世界氧化鋁企業(yè)生產(chǎn)中鋁土礦成本的比較Fig.7 Comparison of bauxite costs in world alumina refineries in 2019

由圖7可見，我國(guó)除了廣西、云南、山西及貴州的氧化鋁廠鋁土礦成本較低外，其余氧化鋁廠的鋁土礦成本均處于第三、第四的高鋁土礦成本區(qū)域.

2.1.4 世界氧化鋁生產(chǎn)能耗成本的比較

圖8是世界氧化鋁廠的能源成本的比較.

圖8 2019年世界氧化鋁企業(yè)生產(chǎn)中能源成本的比較Fig.8 Comparison of energy consumption costs in world alumina refineries in 2019

由圖8可見，世界氧化鋁廠能源成本較高的第三、第四區(qū)域主要由我國(guó)氧化鋁廠組成，僅有山東、河南的少數(shù)氧化鋁廠進(jìn)入第一、第二區(qū)域.

2.1.5 世界氧化鋁生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力分析

中國(guó)氧化鋁工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)在于：產(chǎn)能巨大、擁有調(diào)節(jié)產(chǎn)量的緩沖能力，南方國(guó)產(chǎn)礦價(jià)格較低，有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，人工及維修成本較低，煤炭及苛性堿價(jià)格較合理.但我國(guó)氧化鋁工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力劣勢(shì)在于：鋁土礦短缺、質(zhì)量差且礦價(jià)偏高，進(jìn)口礦運(yùn)輸費(fèi)用高導(dǎo)致價(jià)格高，堿耗和能耗較國(guó)外先進(jìn)水平高.

由此可見，我國(guó)氧化鋁工業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展思路在于：盡可能多開采利用低成本鋁土礦，將鋁土礦資源較差地區(qū)的氧化鋁廠轉(zhuǎn)移到沿海地區(qū)以采用優(yōu)質(zhì)的進(jìn)口礦；開發(fā)出高效低耗的氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能降耗.

2.2 我國(guó)鋁電解工業(yè)的成本競(jìng)爭(zhēng)力分析

2.2.1 世界鋁電解生產(chǎn)成本占比分析

圖9是2019年國(guó)內(nèi)外鋁電解生產(chǎn)運(yùn)行成本構(gòu)成的比較.本文有關(guān)鋁電解工業(yè)成本分析數(shù)據(jù)是根據(jù)百川盈孚報(bào)告[14]、中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)網(wǎng)站[25]和世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)網(wǎng)站[27]統(tǒng)計(jì)獲得.

圖9 2019年國(guó)內(nèi)外電解鋁平均運(yùn)行成本構(gòu)成比較.（a）中國(guó)，（b）除中國(guó)以外各國(guó)Fig.9 Comparison of average aluminum smelting costs in 2019: (a) China; (b) countries except China

由圖9可見，國(guó)內(nèi)外鋁電解生產(chǎn)運(yùn)行成本的最大區(qū)別在于，我國(guó)能源成本遠(yuǎn)高于國(guó)外.實(shí)際上我國(guó)鋁電解的電耗世界最低，能源成本高主要起因于國(guó)內(nèi)電價(jià)高.但我國(guó)成本構(gòu)成中的其他項(xiàng)低于國(guó)外，這主要是由于我國(guó)鋁電解生產(chǎn)中的人工和維修成本較低所致.

2.2.2 世界鋁電解生產(chǎn)成本比較

圖10是2019年國(guó)內(nèi)外鋁電解企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本的比較.

圖10 2019年世界電解鋁企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本的比較Fig.10 Comparison of aluminum production costs of world aluminum smelters in 2019

由圖10可見，我國(guó)鋁電解廠的生產(chǎn)運(yùn)行成本處于與國(guó)外鋁電解廠交叉分布狀況，國(guó)內(nèi)鋁電解成本較低的企業(yè)是新疆、山東、內(nèi)蒙和陜西的鋁電解廠，這主要是由于其自發(fā)電、供電模式、電價(jià)較低，具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力.

2.2.3 世界鋁電解生產(chǎn)能耗成本的比較

圖11是國(guó)內(nèi)外鋁電解廠生產(chǎn)能源成本的比較.

圖11 2019年世界電解鋁企業(yè)生產(chǎn)中能源成本的比較Fig.11 Comparison of energy consumption costs of world aluminum smelters in 2019

由圖11可見，我國(guó)大部分鋁電解廠的能源成本都處于世界第三、第四區(qū)域，主要原因在于其電價(jià)較高.擁有采用廉價(jià)煤炭自發(fā)電優(yōu)勢(shì)的新疆、內(nèi)蒙、陜西等地的鋁電解廠能源成本較低，進(jìn)入第一、二區(qū)域.

2.2.4 世界鋁電解生產(chǎn)炭陽極成本的比較

圖12是國(guó)內(nèi)外鋁電解廠炭陽極成本的比較.本文有關(guān)炭陽極成本分析數(shù)據(jù)是根據(jù)百川盈孚報(bào)告[28]統(tǒng)計(jì)獲得.

圖12 2019年世界電解鋁企業(yè)生產(chǎn)中炭陽極成本的比較Fig.12 Comparison of carbon anode costs of world aluminum smelters in 2019

由圖12可見，國(guó)內(nèi)外鋁電解廠炭陽極成本基本處于相近狀態(tài).這主要是因?yàn)槿蚴徒埂⑻筷枠O價(jià)格基本相同所致.

2.2.5 世界鋁電解生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力分析

由上述分析可知，中國(guó)鋁電解工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)在于：產(chǎn)能巨大、擁有調(diào)節(jié)產(chǎn)量的緩沖能力，人工及維修成本較低，部分鋁電解企業(yè)采用自發(fā)電，價(jià)格較低，有一定的競(jìng)爭(zhēng)力.但我國(guó)鋁電解企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力劣勢(shì)在于：平均電價(jià)特別高，盡管平均電耗國(guó)際領(lǐng)先但能源成本過高，氟化鹽消耗也偏高.

由此可見，我國(guó)鋁電解工業(yè)提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的發(fā)展思路在于：盡可能采用低電價(jià)能源，包括水電等綠色能源、煤炭?jī)r(jià)格較低的自發(fā)電系統(tǒng)等；將電價(jià)較高的鋁電解企業(yè)轉(zhuǎn)移到電價(jià)較低的地區(qū)；進(jìn)一步開發(fā)出高效低耗的鋁電解生產(chǎn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能及深度降耗.

3 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)面臨的主要矛盾及挑戰(zhàn)

3.1 工業(yè)產(chǎn)能及布局問題

截止2020年底，中國(guó)已建成氧化鋁產(chǎn)能達(dá)8.915×107t·a-1，2020 年實(shí)際產(chǎn)量為7312 萬噸，開工率為82%，而且沿海地區(qū)仍然在建多家使用進(jìn)口礦的大型氧化鋁廠，產(chǎn)能還會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，這將導(dǎo)致氧化鋁產(chǎn)能趨于過剩.氧化鋁廠的布局過去主要分布在國(guó)產(chǎn)鋁土礦地區(qū)，導(dǎo)致北方地區(qū)的資源短缺狀況更加明顯.

我國(guó)鋁電解工業(yè)產(chǎn)能已被嚴(yán)格總量控制，達(dá)到4500萬噸左右.但鋁電解廠的布局主要依靠火電，部分地區(qū)網(wǎng)電價(jià)格高，導(dǎo)致缺乏競(jìng)爭(zhēng)力.我國(guó)鋁用炭素工業(yè)產(chǎn)能過大，石油焦原料的品質(zhì)和價(jià)格難于保證.

3.2 資源問題

我國(guó)總體上鋁土礦資源缺乏、品位偏低、組成復(fù)雜，難于滿足龐大的氧化鋁工業(yè)的需求，必須進(jìn)口鋁土礦.海關(guān)統(tǒng)計(jì)2020年中國(guó)進(jìn)口鋁土礦精礦11156萬噸，我國(guó)已成為世界上最大的鋁土礦進(jìn)口國(guó).這些進(jìn)口礦可以生產(chǎn)出4200多萬噸冶金級(jí)氧化鋁，占2020年國(guó)內(nèi)氧化鋁總產(chǎn)量7312萬噸的58%，鋁土礦資源對(duì)外依存度接近60%.因此進(jìn)口礦的資源保證問題已成為我國(guó)氧化鋁工業(yè)的軟肋.確保我國(guó)優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源進(jìn)口量的穩(wěn)定、可靠，已成為我國(guó)氧化鋁工業(yè)需要予以高度重視的問題.

我國(guó)石油資源也主要依靠進(jìn)口，大部分進(jìn)口石油硫含量較高，所產(chǎn)石油焦不能用于生產(chǎn)炭陽極，導(dǎo)致用于生產(chǎn)炭陽極的優(yōu)質(zhì)石油焦資源供應(yīng)不足.此外出于經(jīng)濟(jì)原因，國(guó)內(nèi)大量的優(yōu)質(zhì)煅后焦出口，進(jìn)一步引起國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)石油焦的短缺，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)炭陽極產(chǎn)品質(zhì)量下降，鋁電解運(yùn)行成本上升.

3.3 能源問題

鋁電解工業(yè)的能源主要依靠電力.我國(guó)鋁電解廠的能源結(jié)構(gòu)過于單一，絕大部分企業(yè)采用火電供電，其中大部分企業(yè)還使用網(wǎng)電.這與國(guó)際上鋁電解廠廣泛使用綠色能源[28]，特別是水電的格局不符，與我國(guó)提出的“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)存在不一致性.此外，全國(guó)的鋁電解電價(jià)極不平衡，自發(fā)電電價(jià)遠(yuǎn)低于網(wǎng)電價(jià)格，導(dǎo)致各家鋁電解廠成本競(jìng)爭(zhēng)不盡公正合理.因此盡快解決我國(guó)鋁電解工業(yè)的能源問題對(duì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

3.4 技術(shù)問題

3.4.1 氧化鋁生產(chǎn)的重大技術(shù)問題

部分國(guó)產(chǎn)鋁土礦盡管采礦成本較低，但由于其組成復(fù)雜，特別是部分高硫、高硅含量的鋁土礦難于在現(xiàn)有的氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)使用.因此盡快開發(fā)出可經(jīng)濟(jì)處理這些組成復(fù)雜的一水硬鋁石礦的技術(shù)，形成具有競(jìng)爭(zhēng)力的氧化鋁生產(chǎn)成本，是擺在氧化鋁科技界面前的重大技術(shù)問題.

我國(guó)已年進(jìn)口1億噸以上的鋁土礦，但對(duì)進(jìn)口礦的生產(chǎn)技術(shù)沒有進(jìn)行過深入的研究，對(duì)國(guó)外技術(shù)照單全收.進(jìn)口礦經(jīng)歷了幾千、上萬公里的運(yùn)輸才到達(dá)中國(guó)港口，鋁土礦成本顯著升高，因此提高氧化鋁回收率成為開發(fā)處理進(jìn)口礦技術(shù)的當(dāng)務(wù)之急，這也是我國(guó)氧化鋁界面臨的重要任務(wù)之一.

3.4.2 鋁電解生產(chǎn)的重大技術(shù)問題

我國(guó)鋁電解廠盡管達(dá)到了世界電耗最低的水平，但主要是依靠降低槽電壓和電流密度實(shí)現(xiàn)的，而我國(guó)電流效率仍處于世界落后水平.因此提高鋁電解生產(chǎn)的電流效率和電能利用效率，是我國(guó)鋁電解工業(yè)應(yīng)特別重視的目標(biāo)，這也是進(jìn)一步降低電耗、提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵.鑒于石油焦質(zhì)量日趨下降，開發(fā)利用較低品質(zhì)炭素原料生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋁用炭素產(chǎn)品的技術(shù)也應(yīng)予關(guān)注.

3.5 環(huán)境問題

3.5.1 鋁冶煉工業(yè)廢氣凈化及達(dá)標(biāo)排放問題

鋁工業(yè)的廢氣主要包括鋁電解煙氣、鋁用炭素生產(chǎn)的煙氣、氧化鋁生產(chǎn)的煙氣、鍋爐煙氣等含有多種污染源的氣體，其中主要污染物有SO2、NOx、CO、CO2、多氟化物、瀝青和揮發(fā)性有機(jī)物等，對(duì)環(huán)境和人體造成危害.

各種煙氣的污染治理包括實(shí)施清潔生產(chǎn)，降低有害氣體的排放量，對(duì)于排放出的煙氣進(jìn)行分類、凈化或脫除，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放.因此鋁冶煉工業(yè)廢氣減排包含兩類技術(shù)需要開發(fā)：生產(chǎn)過程開發(fā)出低排放的清潔生產(chǎn)技術(shù)及外排煙氣的凈化技術(shù).

3.5.2 鋁冶煉工業(yè)固廢處理問題

鋁冶煉工業(yè)的污染物主要是固體廢棄物，其中氧化鋁工業(yè)產(chǎn)出的固體殘?jiān)浅嗄?，而鋁電解固廢基本上是危險(xiǎn)固體廢棄物，即鋁灰、廢陰極炭塊、廢側(cè)襯、廢耐火材料（底襯）以及炭陽極廢渣（炭渣）.

我國(guó)赤泥年產(chǎn)出量約為1億噸，分散分布在各家氧化鋁廠周邊.由于赤泥中含有2～5 g·L-1的附著堿（在附水中）及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～12%的化合堿（在固體廢渣中），對(duì)大氣、土壤和地下水造成污染.由于赤泥在堆場(chǎng)中的堆積量迅速增加，且存在潰壩危險(xiǎn)，因此解決赤泥的安全堆存、無害化處置及大規(guī)模資源化利用問題迫在眉睫.

我國(guó)鋁電解、鋁合金和再生鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的危廢鋁灰年產(chǎn)出量高達(dá)400萬噸左右，除了個(gè)別氧化鋁廠對(duì)鋁灰先進(jìn)行脫氮處理，再采用燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁外，至今仍無高效清潔的技術(shù)實(shí)現(xiàn)回收利用.鋁灰中鋁和氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)70%以上，是一種重要的鋁資源，對(duì)其實(shí)施高值資源化利用，具有重要意義.

我國(guó)鋁電解每年產(chǎn)出廢陰極炭塊約30萬噸、廢側(cè)襯（廢碳化硅結(jié)合氮化硅磚）10萬噸以及廢鋁電解槽耐火材料30萬噸.這些廢料全部是危險(xiǎn)固體廢棄物.必須去除其中含有的氟化物、氰化鈉等危險(xiǎn)化合物，才能排放.并且這些危廢中還含有大量的有用材料，如炭素、氟化鹽、碳化硅等，必須回收利用.鋁電解過程排放的廢陽極炭渣也因?yàn)楹蟹}而被定義為固體危險(xiǎn)廢棄物，同樣必須合理回收其中的氟化鹽及炭素材料.因此廢槽襯和廢陽極炭渣的無害化處理及高值資源化利用，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋁電解工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要條件.

4 我國(guó)鋁冶煉工業(yè)生產(chǎn)和技術(shù)的戰(zhàn)略發(fā)展趨勢(shì)

4.1 嚴(yán)控鋁冶煉產(chǎn)能的無序過快擴(kuò)張

我國(guó)鋁冶煉工業(yè)的規(guī)模已是世界第一，產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%以上，發(fā)展到現(xiàn)階段遇到嚴(yán)重的資源、能源和環(huán)境的制約，因此必須嚴(yán)控氧化鋁、電解鋁和鋁用炭素的產(chǎn)能總規(guī)模，把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量運(yùn)行、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力、促進(jìn)節(jié)能減排和實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)應(yīng)用等方面.

必須把握好產(chǎn)能轉(zhuǎn)移的方向.氧化鋁產(chǎn)能要從鋁土礦短缺或貧乏地區(qū)轉(zhuǎn)移到沿海適宜建設(shè)氧化鋁廠的地區(qū)或者國(guó)外鋁土礦資源豐富的地區(qū)，采用國(guó)外優(yōu)質(zhì)鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁，以降低氧化鋁生產(chǎn)成本；鋁電解產(chǎn)能應(yīng)向水電等可再生綠色能源豐富的地區(qū)轉(zhuǎn)移，或向能源豐富且廉價(jià)地區(qū)轉(zhuǎn)移，以降低鋁電解能源成本；鋁用炭素產(chǎn)能向具有優(yōu)質(zhì)石油焦供應(yīng)的地區(qū)轉(zhuǎn)移，以降低石油焦成本.鋁冶煉產(chǎn)能轉(zhuǎn)移的主要目的是降低鋁冶煉生產(chǎn)成本，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力.

4.2 解決鋁土礦資源貧乏問題

為盡快解決我國(guó)鋁土礦資源短缺的問題，需要采取兩條途徑，一條是加快開發(fā)國(guó)內(nèi)復(fù)雜組成鋁土礦的高效利用技術(shù)，另一條是拓寬國(guó)外優(yōu)質(zhì)鋁土礦的進(jìn)口渠道并進(jìn)行高效處理，或者鼓勵(lì)去鋁土礦資源和能源豐富、政局穩(wěn)定的一帶一路地區(qū)建廠.也就是國(guó)內(nèi)、國(guó)外兩種資源一起抓.

國(guó)內(nèi)復(fù)雜組成的一水硬鋁石礦需要盡快開發(fā)出可經(jīng)濟(jì)處理生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)，需要近年內(nèi)有所突破，重點(diǎn)在于開發(fā)出輕燒脫硫技術(shù)處理高硫鋁土礦，開發(fā)出濕法串聯(lián)技術(shù)處理高硅鋁土礦，爭(zhēng)取以低于進(jìn)口礦的運(yùn)行成本生產(chǎn)出氧化鋁.

需要盡快開發(fā)出適合處理進(jìn)口三水鋁石礦和三水鋁石與一水軟鋁石混合礦的生產(chǎn)氧化鋁的技術(shù)，特別是拜耳法溶出工藝技術(shù)和有機(jī)物脫除技術(shù)，目的是提高進(jìn)口礦生產(chǎn)氧化鋁的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力.

4.3 解決能源結(jié)構(gòu)不合理且短缺的問題

我國(guó)鋁電解工業(yè)需要充分利用我國(guó)西南部地區(qū)豐富的水電等綠色能源，替代北方地區(qū)的火電生產(chǎn)原鋁，盡可能少地使用煤炭等資源，以降低二氧化碳的排放.在適當(dāng)?shù)牡貐^(qū)（如內(nèi)蒙），有選擇地利用廉價(jià)煤炭資源以及較大的環(huán)境容量，建設(shè)大型鋁電解企業(yè).由此改變我國(guó)鋁電解廠能源成本過高的局面，解決我國(guó)鋁冶煉能源結(jié)構(gòu)不合理的問題.

4.4 鋁冶煉生產(chǎn)過程實(shí)施優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、低耗戰(zhàn)略，提高成本競(jìng)爭(zhēng)力

我國(guó)鋁冶煉生產(chǎn)過程必須加快實(shí)施優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、低耗戰(zhàn)略，降低運(yùn)行成本，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力.需要開發(fā)如下技術(shù)，以達(dá)此目的.

4.4.1 我國(guó)氧化鋁生產(chǎn)急需開發(fā)的生產(chǎn)技術(shù)

①高硫、高硅一水硬鋁石礦的高效經(jīng)濟(jì)處理生產(chǎn)氧化鋁技術(shù)，主要目的是解決采用低成本技術(shù)處理高硫、高硅一水硬鋁石礦生產(chǎn)氧化鋁的難題.

②脫除鋁酸鈉溶液中有機(jī)物（草酸鈉）的技術(shù)，主要目的是消除鋁土礦中的有機(jī)物（草酸鈉）對(duì)拜耳法流程的不利影響.

③拜耳法生產(chǎn)深度節(jié)能技術(shù)，主要目的是進(jìn)一步節(jié)能降耗，降低生產(chǎn)成本.

4.4.2 我國(guó)鋁電解生產(chǎn)急需開發(fā)的生產(chǎn)技術(shù)

①提高電流密度和電流效率的技術(shù)，主要目的是通過鋁電解廠物理場(chǎng)的進(jìn)一步研究及控制系統(tǒng)的升級(jí)，提高電流效率及電流密度，達(dá)到深度節(jié)能的目的.

②降低鋁電解陽極效應(yīng)系數(shù)及效應(yīng)時(shí)間的技術(shù)，主要目的是大幅度降低效應(yīng)系數(shù)及效應(yīng)時(shí)間，提高鋁電解廠生產(chǎn)的穩(wěn)定性，減排多氟化碳溫室氣體.

③石油焦深度脫硫技術(shù)，主要目的是減少炭陽極中的硫含量，達(dá)到鋁電解減排二氧化硫的目的.

4.5 實(shí)施我國(guó)鋁冶煉工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境戰(zhàn)略

4.5.1 鋁冶煉工業(yè)煙氣的深度凈化及達(dá)標(biāo)排放

我國(guó)鋁冶煉工業(yè)煙氣的處理主要包括降塵、脫硫、脫硝、脫氟和脫除揮發(fā)性有機(jī)物，需要實(shí)施清潔生產(chǎn)、排放煙氣深度凈化兩種方法解決.

鋁冶煉工業(yè)有害煙氣中含有CO2及多氟化碳、瀝青煙、揮發(fā)性有機(jī)物等，重點(diǎn)開發(fā)在生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制工藝條件、降低排放量的技術(shù)，如降低鋁電解廠陽極效應(yīng)系數(shù)及時(shí)間、炭陽極焙燒爐煙氣充分燃燒等技術(shù)，以減少外排量.對(duì)于煙氣中其他有害物質(zhì)則采用相應(yīng)的降塵、脫硫、脫硝技術(shù)保證外排煙氣的達(dá)標(biāo)排放.

4.5.2 鋁冶煉工業(yè)固廢的安全堆存及資源化利用

（1）大力開發(fā)赤泥安全堆存及大規(guī)模低成本資源化利用技術(shù).

赤泥安全堆存的目的是確保赤泥堆場(chǎng)的防滲性能，杜絕潰壩危險(xiǎn)，保證赤泥堆場(chǎng)的安全運(yùn)行.為達(dá)到此目的，必須嚴(yán)格實(shí)施赤泥干法堆存的環(huán)境管理法規(guī)和制度，嚴(yán)格執(zhí)行赤泥堆場(chǎng)的安全巡檢、壩體穩(wěn)定性預(yù)報(bào)和周邊土壤全天候在線檢測(cè).

赤泥大規(guī)模資源化利用的主要目的是大規(guī)模消納、利用赤泥，減少赤泥堆存量，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)赤泥大規(guī)模資源化利用.為此需要與其他大型產(chǎn)業(yè)部門加強(qiáng)合作，利用赤泥所含物質(zhì)的類似性、相容性，加快開發(fā)出可大批量使用消納赤泥的技術(shù)，生產(chǎn)出可用于建筑材料工業(yè)、冶金工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境工業(yè)所需的原材料和輔助添加劑，如鋼鐵冶金的輔助材料、處理酸性廢水、廢料、廢氣的中和材料、特種建筑材料等.鑒于這些工業(yè)部門消納能力巨大，可望實(shí)現(xiàn)赤泥大規(guī)模資源化利用.

（2）盡快開發(fā)出鋁電解廢槽襯、鋁灰固體危廢的高值資源化利用技術(shù)

鋁電解鋁灰和廢槽襯的高值資源化利用是處理鋁電解固體危廢的重要技術(shù)，關(guān)鍵是要采用分類處理的方法，進(jìn)行有價(jià)成分的高效分離、回收再生，實(shí)現(xiàn)高值資源化利用.

鋁電解鋁灰中氧化鋁、氮化鋁和金屬鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)80%以上，經(jīng)處理制取鋁化合物或短流程處理后作為原料返回鋁電解槽是高值利用的主要方法.為此需要開發(fā)出脫氮、轉(zhuǎn)相和高鋁料回收利用技術(shù).

廢槽襯包括廢陰極炭塊、廢側(cè)襯和廢耐火材料.為實(shí)現(xiàn)資源化利用目的，需要開發(fā)出將廢料分類處理，采用物理或化學(xué)的方法分離其中的主要成分和雜質(zhì)組成，分別加以資源化利用.

5 結(jié)論

（1）我國(guó)鋁冶煉工業(yè)產(chǎn)量規(guī)模世界第一，開發(fā)應(yīng)用了一大批適合我國(guó)鋁土礦資源、能源特點(diǎn)的重大關(guān)鍵技術(shù)，整體上達(dá)到了世界先進(jìn)技術(shù)水平，滿足了國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的需求.

（2）我國(guó)鋁冶煉工業(yè)發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)有：產(chǎn)能過大、布局不合理、鋁土礦資源品質(zhì)較差、優(yōu)質(zhì)石油焦短缺、能源過于依賴火電、節(jié)能降耗與國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)仍有差距而競(jìng)爭(zhēng)力較差、環(huán)境污染嚴(yán)重且缺乏關(guān)鍵治理技術(shù)等.

（3）我國(guó)鋁冶煉工業(yè)發(fā)展的主要戰(zhàn)略是：嚴(yán)控產(chǎn)能的無序過快擴(kuò)張并合理布局，優(yōu)化資源、能源的供應(yīng)結(jié)構(gòu)，實(shí)施優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、低耗的產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略以提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，加快實(shí)現(xiàn)廢氣、廢水和固廢的達(dá)標(biāo)排放及資源化利用，實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋁冶煉工業(yè)穩(wěn)定、健康、綠色的可持續(xù)發(fā)展.

致謝

感謝項(xiàng)目執(zhí)行過程中來自中色（寧夏）東方集團(tuán)有限公司、北京有色金屬研究總院、中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司、沈陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院、中鋁鄭州研究院等單位的知名專家學(xué)者對(duì)本文研究?jī)?nèi)容提供的建設(shè)性意見和指導(dǎo)！